JPH07153993A

JPH07153993A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JPH07153993A
Application number: JP29835593A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Imaizumi; 充今泉; Toshihiro Kato; 俊宏加藤; Takashi Saka; 貴坂; Masumi Hiroya; 真澄廣谷; Toshinori Sone; 豪紀曽根; Yoshiyuki Mizuno; 義之水野
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】高い発光効率が得られる発光ダイオードを提
供する。【構成】ＬＥＤ（発光ダイオード）１０は、全体が略
角柱状を成しているが、基板１２側よりも第２クラッド
層１８側の方の面積が小さくされており、基板１２の第
１クラッド層１４側の端部と、第２クラッド層１８上面
の端部とを結ぶ側面２４は湾曲した斜面とされている。
そのため、第１クラッド層１４、活性層１６および第２
クラッド層１８は、基板１２側から先細りとなるように
積層されて略四角錐台状を成し、活性層１６の端面２６
を含む周縁は、基板１２の端面２８に対して所定の角θ
を成す斜面とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオードの発光
効率を高める技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に第１クラッド層、活性層および
第２クラッド層が順次積層され、その基板と第２クラッ
ド層との間に動作電流が通電されることによって上記活
性層内で発生した光を、その第２クラッド層側から取り
出す面発光型発光ダイオード（以下ＬＥＤという）が知
られている。一般に、このような構造のＬＥＤでは、上
記活性層内で発生した光が、光取り出し面である第２ク
ラッド層表面に到達するまでに減衰したり反射され、或
いは第２クラッド層表面以外の所からも放射されると共
に、基板側に向かって放射され、その底面で反射されて
側面に向かう光は、その側面への入射角が比較的大きく
なるため反射されて内部で吸収されるため、第２クラッ
ド層側から取り出されるのは発生した光の一部のみとな
って、高い発光効率が得られない。そこで、発光効率を
高めるために、例えばＬＥＤのアッセンブリに際して、
開口部側に面する凹面内にＬＥＤを固定し、その端面か
ら放射された光をその凹面で反射させ、第２クラッド層
側から取り出される光と同じ方向に取り出すこと等が行
われる。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、上記のような
アッセンブリによっても発光効率の改善は未だ不充分で
あった。上記アッセンブリ構造では、ＬＥＤの端面から
放射された光が取り出し可能となるのみであり、また、
テーパ面での反射効率を十分に高くするには高精度の加
工を要して多大なコスト増となるため、反射効率も低い
ものであったのである。

【０００４】本発明は、以上の事情を背景として為され
たものであって、その目的は、高い発光効率が得られる
発光ダイオードを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めに、本発明の要旨とするところは、基板上に第１クラ
ッド層、活性層および第２クラッド層が順次積層され、
その基板と第２クラッド層との間に動作電流が通電され
ることによって上記活性層内で発生した光を、その第２
クラッド層側から取り出す面発光型発光ダイオードであ
って、前記第２クラッド層から前記基板に向かうに従っ
て外周側に向かう斜面が形成され、該斜面に前記活性層
の周縁が露出させられていることにある。

【０００６】

【作用および発明の効果】このようにすれば、第２クラ
ッド層と基板との間に斜面が形成されて、活性層の周縁
がその斜面に露出させられると共に、第２クラッド層は
基板よりも小さい面積とされるので、その斜面は第２ク
ラッド層側から取り出される光と同じ方向、すなわち光
の取り出し方向に向かわせられる。このため、活性層の
端面側から放射された光の一部は、直接光の取り出し方
向に放射されることになる。また、斜面が光の取り出し
方向に向かわせられているため、活性層は第２クラッド
層よりも大きな面積を有することになり、第２クラッド
層の表面よりも外側に位置する部分で発生して、活性層
から第２クラッド層側に向かう光は、第２クラッド層表
面に到達する前に取り出される。そのため、この光は、
ＬＥＤ内で殆ど減衰或いは反射されることなく取り出さ
れる。また、活性層から基板側へ放射され、基板底面で
反射されて側面に向かう光は、その側面が斜面とされて
いるため反射光の入射角が小さくなり、その斜面を通っ
て外部に取り出される。したがって、ＬＥＤの側面から
放射される光が比較的多く取り出されると共に、発生し
た光の減衰や反射が減じられ、また、基板側に向かう光
も効率良く取り出されて、高い発光効率が得られる。更
に、上記のように斜面が形成された結果、活性層が基板
よりも小さい面積とされているため、その面積が等しく
されている場合に比較して電流密度が高くなり、一層高
い発光効率が得られる。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるＬＥＤ（発
光ダイオード）１０の構成を示す図である。このＬＥＤ
１０は、基板１２上に、例えば有機金属化学気相成長
（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposit
ion ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Be
am Epitaxy）法、或いは気相エピタキシー（ＶＰＥ：Va
por Phase Epitaxy ）法等によって、第１クラッド層１
４、活性層１６および第２クラッド層１８が順次結晶成
長させられた後、基板１２の下面および第２クラッド層
１８の上面に、下部電極２０および上部電極２２がそれ
ぞれ蒸着されて構成されている。

【０００８】上記基板１２は例えば３５０μｍ程度の厚
さのｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ単結晶から成る化合物半
導体、第１クラッド層１４は例えば４μｍ程度の厚さを
備えた、上記基板と同じｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ単結
晶から成る化合物半導体、活性層１６は例えば１μｍ程
度の厚さのｐ−ＧａＡｓ単結晶から成る化合物半導体、
第２クラッド層１８は例えば４μｍ程度の厚さのｐ−Ａ
ｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ単結晶から成る化合物半導体であ
る。また、下部電極２０は、基板１２側から順にＡｕ−
Ｇｅ合金、ＮｉおよびＡｕが積層形成されており、上部
電極２２は第２クラッド層１８側にＡｕ−Ｚｎ合金が、
その上にＡｕが積層形成されている。これらの下部電極
２０および上部電極２２はそれぞれオーミック電極であ
る。

【０００９】上記ＬＥＤ１０は、全体が略角柱状を成し
ているが、基板１２側よりも第２クラッド層１８側の方
の面積が小さくされており、基板１２の第１クラッド層
１４側の端部と、第２クラッド層１８上面の端部とを結
ぶ側面２４は、図に示すように湾曲した斜面とされてい
る。すなわち、第２クラッド層１８から基盤１２に向か
うに従って外周側に向かう斜面が形成されている。その
ため、第１クラッド層１４、活性層１６および第２クラ
ッド層１８は、基板１２側から先細りとなるように積層
されて略四角錐台状を成し、活性層１６の端面２６を含
む周縁は、基板１２の端面２８に対して所定の角θ（例
えば６０°程度）を成す斜面とされている。なお、図に
おいて基板１２、各層１４，１６，１８および電極２
０，２２等の大きさは、必ずしも正確な比率で示されて
いない。

【００１０】以上のように構成されたＬＥＤ１０は、下
部電極２０と上部電極２２とに動作電圧が印加され、第
１クラッド層１４および第２クラッド層１８間に動作電
流が通電されることによって、活性層１６内で光が発生
し、第２クラッド層１８の上面側からその光が取り出さ
れる。

【００１１】ここで、本実施例においては、ＬＥＤ１０
の上記側面２４が斜面を成しているため、活性層１６の
端部は、その厚さに tanθを乗じた大きさ（幅ａ）で、
光取り出し方向である図の上方向に向けられている。そ
のため、活性層１６の端面２６から放射された光の一部
は、直接光の取り出し方向に放射されることになる。ま
た、第２クラッド層１８の上面の面積は、活性層１６の
上面の面積よりも小さくされており、図の幅ｂ内で発生
した光は第２クラッド層１８の上面に達する以前に第２
クラッド層１８の端面から取り出されることになる。こ
のため、この光はＬＥＤ１０内で殆ど減衰或いは反射さ
れることなく取り出される。また、活性層１６から基板
１２側へ放射され、基板１２底面で反射されて側面２４
に向かう光は、その側面２４が斜面とされているため入
射角が小さくなり、従来入射角が大き過ぎるために反射
されて内部で吸収されていた光が、その斜面を通って外
部に取り出される。したがって、側面２４から放射され
る光が比較的多く取り出されると共に、発生した光の減
衰や反射が減じられ、また、基板１２側に向かう光も効
率良く取り出されて、高い発光効率が得られる。更に、
活性層１６が基板１２よりも小さい面積とされているた
め、その面積が等しくされている場合に比較して電流密
度が高くなり、一層高い発光効率が得られる。

【００１２】上記ＬＥＤ１０は、例えば図２の（ａ）〜
（ｈ）の工程に従って製造される。（ａ）の工程におい
て、多数のＬＥＤ１０を製造するための基板１２上に第
１クラッド層１４、活性層１６および第２クラッド層１
８を順次結晶成長させて、エピタキシャル層３０を作製
する。なお、図２においては、エピタキシャル層３０の
各層の境界を省略している。次いで（ｂ）の工程におい
て、エピタキシャル層３０上にフォトリソグラフィによ
って所定のパターンの上部電極２２を形成し、（ｃ）の
工程において、その上にフォトレジスト膜３２を形成し
て、フォトリソグラフィによって、ＬＥＤ１０となる個
々の素子３４毎にパターニングを行う。このとき、
（ｃ）に示されるように、上部電極２２はフォトレジス
ト膜３２に覆われた状態にされている。次いで（ｄ）の
工程において、例えば燐酸および過酸化水素水を混合し
たエッチング液によって、エピタキシャル層３０の上面
側からエッチングを行う。このエッチング液はフォトレ
ジスト膜３２を溶解せず、エピタキシャル層３０および
基板１２のみを溶解するものが好適に用いられる。この
とき、エピタキシャル層３０の各層および基板１２の溶
解性が略等しいため、その表面上の点Ｐを中心とした略
円弧上の凹部３６が形成されるように溶解され、エッチ
ング液の組成、濃度、処理温度および処理時間を適宜設
定することにより、エピタキシャル層３０の上面が上部
電極２２よりもやや小さくされる。次いで、（ｅ）の工
程において、フォトレジスト膜３２を除去し、（ｆ）の
工程において、個々の素子３４毎にダイシングによって
分離する。このとき、前記のエッチング処理によってエ
ピタキシャル層３０の上面からはみ出した上部電極２２
の周縁部が水流或いは超音波によって除去される。次い
で（ｇ）の工程において下部電極２０を形成して、図１
に示されるＬＥＤ１０が製造される。このＬＥＤ１０
は、（ｈ）の工程において、テーパ状の内壁面３８を備
えたケース４０の底面に、下部電極２０が図示しないリ
ードに導通がとられるように固定されると共に、上部電
極２２にリード４２がボンディングされ、図示しない工
程において樹脂モールド内に封入して用いられる。

【００１３】上記の製造工程においては、上記凹部３６
がダイシングの切り代の幅よりも極めて大きくされてい
ると共に、凹部３６は基板１２の上部の一部までの範囲
で形成されているため、（ｆ）の工程で素子３４がダイ
シングによって分離されると、基板１２の下部の端面は
その底面と直角になるが、エピタキシャル層３０および
基板１２の一部の端面はやや湾曲した斜面を成す。した
がって、エピタキシャル層３０および基板１２の一部が
略四角錐台状とされた、すなわち、図１に示した、基板
１２と第２クラッド層１８の上面とを結ぶ側面２４が斜
面とされたＬＥＤ１０が容易に得られるのである。

【００１４】なお、本実施例では、凹部３６が形成され
た後にダイシングが行われるため、ダイシングの際に活
性層１６にカッタが触れない。したがって、活性層１６
等にダイシングに起因する欠けが発生せず、電流のリー
クが発生し難い利点がある。また、テーパ状の内壁面３
８を備えたケース４０内にＬＥＤ１０が固定されている
ため、活性層１６の側面から第２クラッド層１８の表面
と平行な方向に放射される光も、その内壁面３８によっ
て反射されて光の取り出し方向に向かわされ、一層高い
発光効率が得られる。

【００１５】図３は、前述の製造工程の（ｄ）の工程に
おいて、エッチング時間を変えた場合の光出力すなわち
発光効率を表したグラフである。前述の工程において
は、例えば４０乃至５０分間処理することによって、エ
ッチング処理をしないＬＥＤに比較して約１．８倍程度
の高い光出力のＬＥＤ１０が得られている。なお、最適
なエッチング時間は、エッチング液の種類や濃度および
処理時間や処理温度等の条件によって変動するが、短か
過ぎる場合にはエピタキシャル層３０の面積が十分に小
さくならないため電流密度が上がらず、また、側面の傾
斜部が形成されないために、高い光出力が得られない。
また、必要以上に長時間のエッチング処理をしても、電
流密度は高くなるものの活性層１６すなわち発光面積が
小さくなるため、ある一定値以上の光出力は得られない
のである。

【００１６】図４は、上記ＬＥＤ１０において、動作電
流を５０ｍＡとしたときの電流密度と光出力の関係を表
したグラフである。このグラフにおいては、従来用いら
れていた電流密度５４ｍＡ／ｃｍ²程度のＬＥＤの光出
力を１として、相対的な光出力を示している。図より明
らかなように電流密度が高くなると相対光出力が高くな
る。本実施例のＬＥＤ１０においては、前述のような構
成とされた結果、電流密度が約１２８ｍＡ／ｃｍ²程度
と高くなり、上述のように従来の１．８倍程度の高い光
出力が得られるのである。なお、本図は、前述の構造の
ＬＥＤ１０による測定結果であるため、前述のように側
面２４が斜面とされたことによる効果が含まれた光出力
であり、必ずしも電流密度と相対光出力との厳密な関係
を表すものではない。

【００１７】図５は、他の製造方法によったＬＥＤ４４
の例である。本実施例においては、基板１２と第２クラ
ッド層１８の上面とを結ぶ側面４６は、湾曲しない真直
な斜面とされている。このような構造としても、前述の
実施例と同様に、活性層１６の端面２６が斜面とされて
その端面２６から放出される光が光の取り出し方向に向
かわされ、また、側面４６が斜面とされて活性層１６の
端部側で発生した光の減衰や反射が低減させられ、ま
た、基板１２側へ放射されてその底面で反射された光が
斜面から取り出され、更に、活性層１６が基板１２より
も小さい面積とされて電流密度が高くされているため、
高い発光効率が得られるのである。更に、本実施例にお
いては、側面４６が湾曲していないため、第２クラッド
層１８上面と基板１２底面との面積比を等しくした場合
には、前述のＬＥＤ１０よりも幅ａが大きくなり、一層
高い発光効率が得られる。このＬＥＤ４４は、例えば、
前述の図２の工程において、このようなプロファイルが
得られるエッチング液を使用するか、或いはエッチング
処理に代えて幅広且つ先端がテーパ状とされたダイヤモ
ンドカッタ等で溝切り加工をし、その後図２（ｆ）の工
程と同様にダイシングを行うことによって得られる。

【００１８】なお、前述のＬＥＤ１０およびＬＥＤ４４
においては、第２クラッド層１８上に直接上部電極２２
を形成したが、例えば、図６に示すように、第２クラッ
ド層１８の上に第２クラッド層１８とは導電型が異なる
電流ブロック層４８を設け、その上に上部電極２２を形
成して、ＬＥＤ５０のような構造としても良い。前述の
実施例においては、上部電極２２は例えば図７に示され
るように形成されており、リード４２がボンディングさ
れる部分すなわち上部電極２２の中央部５２は、通電さ
れて光が発生しても上部電極２２に遮蔽されてその光が
取り出し得ない。これに対して、ＬＥＤ５０では、中央
部５２は電流ブロック層４８が存在するために通電され
得ず、発光させられない。すなわち、上部電極２２に遮
蔽されないで光が取り出される部分のみが発光させられ
るため、発生した光の取り出し効率が一層高くなり、高
い光出力が得られる。なお、上記電流ブロック層４８
は、例えばフォトリソグラフィ等によって任意の形状に
形成されるものである。

【００１９】以上、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施され
る。

【００２０】例えば、前述の実施例においては、ＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓダブルヘテロ構造の面発光型ＬＥＤ１
０等について説明したが、そのＡｌとＧａとの組成比は
適宜設定されると共に、ＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ
Ｐ等から成るダブルヘテロ構造のＬＥＤや、単なるｐｎ
接合から成るＬＥＤにも本発明は同様に適用され得る。
また、基板１２には、例えばＧａＡｓ等の他の半導体が
用いられても良い。

【００２１】また、前述の実施例においては、基板１２
側にｎ型半導体が、第２クラッド層１８側にｐ型半導体
が用いられ、上部電極２２から下部電極２０に向かって
動作電流が流れるようにされていたが、ｐ型，ｎ型を反
対にして動作電流の流れる方向を反対にしても良い。

【００２２】例えば、前述の実施例においては、活性層
１６の端面２６の傾斜の角度θは６０°程度とされてい
たが、この角度θは、１０〜８０°の範囲の値を取り得
るものである。

【００２３】また、前述の実施例において第１クラッド
層１４が比較的厚く（例えば５０μｍ程度）されている
場合は、第１クラッド層１４までが傾斜させられていて
も良い。

【００２４】また、前述の実施例においては、ＬＥＤ１
０，４４，５０は全体が略角柱状に形成され、エピタキ
シャル層３０（すなわち第１クラッド層１４乃至第２ク
ラッド層１８）および基板１２の一部は四角錐台状に形
成されていたが、ＬＥＤ１０等の全体の形状は例えば多
角柱状とされていても良く、エピタキシャル層３０およ
び基板１２の一部は、三角錐台を含む多角錐台状或いは
円錐台状とされていても良い。本発明においては、活性
層１６が基板１２よりも小さい面積とされ、その端面２
６を含む周縁が斜面に露出させられていれば、その効果
が得られるのである。なお、ＬＥＤ１０等の形状は、例
えば、図２の工程において上部電極２２およびフォトレ
ジスト膜３２を多角形或いは円形等に形成してエッチン
グ処理を行うことで容易に変更できる。

【００２５】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である発光ダイオードの構成
を示す図であり、図２の製造方法によって得られたもの
である。

【図２】本発明の一実施例である発光ダイオードの製造
方法を示す図である。

【図３】図２の工程におけるエッチングの時間と光出力
との関係を示すグラフである。

【図４】図２の工程において得られた発光ダイオードの
電流密度と光出力との関係を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施例を示す図である。

【図６】本発明の更に他の実施例を示す図である。

【図７】図１の発光ダイオードの電極の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０：ＬＥＤ（発光ダイオード）１２：基板１４：第１クラッド層１６：活性層１８：第２クラッド層２２：上部電極２４：側面２６：活性層の端面（周縁）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者曽根豪紀愛知県東海市加木屋町南鹿持18 (72)発明者水野義之愛知県名古屋市名東区高社二丁目194番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に第１クラッド層、活性層および
第２クラッド層が順次積層され、該基板と該第２クラッ
ド層との間に動作電流が通電されることによって該活性
層内で発生した光を、該第２クラッド層側から取り出す
面発光型発光ダイオードであって、前記第２クラッド層から前記基板に向かうに従って外周
側に向かう斜面が形成され、該斜面に前記活性層の周縁
が露出させられていることを特徴とする発光ダイオー
ド。